Brasage par induction

Presque chaque processus d'assemblage peut être effectué de plusieurs manières. L'option qu'un fabricant ou un intégrateur choisit pour obtenir le meilleur résultat est généralement celle qui associe une technologie éprouvée à une application spécifique.

Le brasage est l'un de ces processus. Le brasage est un processus d'assemblage de métaux dans lequel deux ou plusieurs pièces métalliques sont liées en faisant fondre et en faisant couler un métal d'apport dans le joint. Le métal d'apport a un point de fusion inférieur à celui des pièces métalliques adjacentes.

La chaleur pour le brasage peut être fournie par une torche, un four ou une bobine d'induction. Lors du brasage par induction, une bobine d'induction génère un champ magnétique qui chauffe les matériaux de base pour faire fondre le métal d'apport. Pour un nombre croissant d'applications d'assemblage, le brasage par induction s'avère être la meilleure option.

"Le brasage par induction est beaucoup plus sûr que le brasage au chalumeau, plus rapide que le brasage au four et plus reproductible que les deux", déclare Steve Anderson, responsable de la science sur le terrain et des tests chez Fusion Inc., un intégrateur de 88 ans basé à Willoughby, OH, qui se spécialise dans plusieurs méthodes d'assemblage, dont le brasage. "De plus, le brasage par induction est beaucoup plus facile. Par rapport aux deux autres méthodes, tout ce dont vous avez vraiment besoin est de l'électricité standard."

Il y a quelques années, Fusion a développé une machine à six stations entièrement automatisée pour assembler 10 types de fraises en carbure utilisées pour le travail des métaux et la fabrication d'outils. Les bavures sont fabriquées en joignant des ébauches en carbure de tungstène de forme cylindrique et conique à des tiges en acier. Le taux de production est de 250 pièces par heure et des plateaux de pièces séparés contiennent 144 ébauches et tiges.

"Un robot SCARA à quatre axes prend une tige du plateau, la présente au distributeur de pâte, puis la charge dans le nid de fixation", explique Anderson. "Le robot prélève ensuite une ébauche dans un plateau et la place sur l'extrémité de la tige collée. Le brasage par induction est effectué avec une bobine électrique qui entoure verticalement les deux pièces et amène le métal d'apport d'argent à une température de liquidus de 1 305 F. Après la bavure l'ensemble est aligné et refroidi, il est éjecté via une goulotte d'évacuation et collecté pour un traitement ultérieur."

L'utilisation du brasage par induction pour l'assemblage est en augmentation, principalement parce qu'il crée des joints solides entre deux pièces métalliques et parce qu'il est si efficace pour assembler des matériaux dissemblables. Les préoccupations environnementales, l'amélioration de la technologie et les applications non traditionnelles obligent également les ingénieurs de fabrication à examiner de plus près le brasage par induction.

Le brasage par induction existe depuis les années 1950, même si le concept de chauffage par induction (utilisant l'électromagnétisme) a été découvert plus d'un siècle auparavant par le scientifique anglais Michael Faraday. Les torches portatives ont été la première source de chaleur utilisée pour le brasage, suivies des fours dans les années 1920. La méthode basée sur le four a été fréquemment utilisée pendant la Seconde Guerre mondiale pour fabriquer de grandes quantités de pièces métalliques avec un minimum de travail et de dépenses.

La demande des consommateurs pour la climatisation dans les années 1960 et 1970 a créé de nouvelles applications pour le brasage par induction. En fait, le brasage à grand volume de l'aluminium à la fin des années 1970 a conduit à de nombreux assemblages que l'on retrouve dans les systèmes de climatisation automobile d'aujourd'hui.

"Contrairement au brasage au chalumeau, le brasage par induction est sans contact et minimise le risque de surchauffe", note Rick Bausch, directeur des ventes chez Ambrell Corp., une société inTEST Co. "Il est également plus efficace, sans gaspillage d'énergie et presque sans augmentation de l'air ambiant. température."

Le système de brasage par induction standard se compose de trois composants, selon Greg Holland, directeur des ventes et des opérations chez eldec LLC. Il s'agit de l'alimentation, de la tête de travail avec bobine d'induction attachée et d'un refroidisseur ou d'un système de refroidissement.

L'alimentation électrique se connecte à la tête de travail et la bobine est conçue sur mesure pour s'adapter autour du joint. L'inducteur peut être fabriqué à partir d'une tige solide, d'un câble flexible, d'une billette usinée ou imprimé en 3D à partir d'alliages de cuivre en poudre. Mais, souvent, il est fabriqué à partir de tubes creux en cuivre, à travers lesquels l'eau s'écoule pour plusieurs raisons. L'une consiste à garder la bobine froide en compensant la chaleur réfléchie de la pièce pendant le brasage. L'eau qui coule empêche également l'accumulation de chaleur générée dans le serpentin par la présence fréquente d'un courant électrique alternatif et le transfert de chaleur inefficace qui en résulte.

"Parfois, un concentrateur de flux est placé sur la bobine pour intensifier le champ magnétique en un ou plusieurs points du joint", explique Holland. "Ce concentrateur peut être soit un type de stratification qui se compose de minces morceaux d'acier électrique empilés étroitement ensemble, soit du ferrotron, qui contient des matériaux ferromagnétiques en poudre et une liaison diélectrique qui sont comprimés sous haute pression. L'avantage d'utiliser l'un ou l'autre concentrateur est qu'il raccourcit le cycle temps en induisant plus d'énergie plus rapidement dans des zones spécifiques de l'articulation, tout en gardant les autres zones plus fraîches."

Avant de positionner les pièces métalliques pour le brasage par induction, l'opérateur doit régler correctement la fréquence et les niveaux de puissance du système. La fréquence peut varier de 5 à 500 kilohertz, une fréquence plus élevée produisant un taux de chauffage de surface plus intense.

Les alimentations électriques sont généralement capables de produire plusieurs centaines de kilowatts d'électricité. Cependant, seulement 1 à 5 kilowatts sont nécessaires pour braser une pièce de la taille d'une paume en 10 à 15 secondes. Les grandes pièces, en revanche, peuvent nécessiter de 50 à 100 kilowatts et prendre jusqu'à cinq minutes pour être brasées.

"En règle générale, les petites pièces consomment moins d'énergie mais ont besoin d'une fréquence plus élevée, comme 100 à 300 kilohertz", explique Bausch. "L'inverse de cela est que les grandes pièces nécessitent plus de puissance avec une fréquence plus basse, généralement inférieure à 100 kilohertz."

Quelle que soit leur taille, les pièces métalliques doivent être correctement positionnées avant le montage. Des précautions doivent être prises pour maintenir un jeu étroit entre les métaux de base pour permettre une action capillaire appropriée du métal d'apport qui coule. Les joints bout à bout, à recouvrement et bout à bout sont le meilleur moyen d'assurer ce dégagement.

Le montage traditionnel ou autofixant est acceptable. Les luminaires standard doivent être fabriqués à partir de matériaux peu conducteurs comme l'acier inoxydable ou la céramique, et entrer le moins possible en contact avec l'ensemble.

L'auto-fixation, qui élimine le besoin d'un support mécanique, peut être obtenue en concevant les pièces avec des coutures imbriquées, un emboutissage, un alvéole ou un moletage.

Le joint est ensuite nettoyé avec un tampon émeri ou un solvant pour éliminer les contaminants comme l'huile, la graisse, la rouille, le tartre et la saleté. Cette étape améliore encore l'action capillaire du métal d'apport fondu se tirant à travers les surfaces adjacentes du joint.

Une fois les pièces correctement fixées et nettoyées, l'opérateur applique un composé d'assemblage (généralement une pâte) sur le joint. Ce composé est un mélange de métal d'apport, de fondant (pour empêcher l'oxydation) et de liant qui maintient le métal et le fondant ensemble avant la fusion.

Le métal d'apport et le flux utilisés dans le brasage sont formulés pour résister à des températures plus élevées que celles utilisées dans le brasage. Les métaux d'apport pour le brasage fondent à une température d'au moins 842 F et sont plus résistants lorsqu'ils sont refroidis. Ils comprennent l'aluminium-silicium, le cuivre, le cuivre-argent, le laiton, le bronze, l'or-argent, l'argent et l'alliage de nickel.

L'opérateur positionne ensuite la bobine d'induction, qui se décline en plusieurs modèles. Une bobine hélicoïdale est ronde ou elliptique et entoure complètement la pièce, tandis qu'une bobine à fourche (ou pince) est positionnée de chaque côté du joint et une bobine à canal s'accroche sur la pièce. Les autres bobines incluent le diamètre interne (ID), le diamètre interne/externe (OD), la galette, les extrémités ouvertes et les positions multiples.

Une chaleur uniforme est essentielle pour un joint brasé de haute qualité. Pour ce faire, l'opérateur doit s'assurer que la distance verticale entre chaque boucle de bobine d'induction est petite et que la distance de couplage - la largeur de l'écart entre le diamètre extérieur et le diamètre intérieur de la bobine - est maintenue uniforme.

Ensuite, l'opérateur allume l'alimentation pour commencer le processus de chauffage du joint. Cela implique le transfert rapide d'un courant alternatif à moyenne ou haute fréquence de l'alimentation à l'inductance pour créer un champ magnétique alternatif autour de celle-ci.

Le champ magnétique génère un courant induit à la surface du joint, qui génère de la chaleur pour faire fondre le métal d'apport afin qu'il coule et mouille les surfaces des pièces métalliques, ce qui crée une liaison solide. Avec une bobine multi-positions, ce processus peut être effectué simultanément sur plusieurs pièces en même temps.

Un nettoyage final et une inspection sont recommandés pour chaque pièce brasée. Le nettoyage des pièces avec de l'eau chauffée à au moins 120 F élimine les résidus de flux et tout tartre d'oxyde formé lors du brasage. Les pièces doivent être immergées dans l'eau après la solidification du métal d'apport mais pendant que l'assemblage est encore chaud.

Selon la pièce, l'inspection peut être minimale et suivie d'essais non destructifs et destructifs. Les méthodes non destructives comprennent l'examen visuel et radiographique, ainsi que les tests d'étanchéité et d'étanchéité. Les méthodes d'essais destructifs courantes sont l'examen métallographique et les essais de pelage, de traction, de cisaillement, de fatigue, de transmission et de torsion.

"Le brasage par induction nécessite un investissement initial plus important que la méthode au chalumeau, mais cela en vaut la peine pour l'efficacité et le contrôle supplémentaires que vous obtenez", déclare Holland. "Avec l'induction, lorsque vous avez besoin de chaleur, vous n'avez qu'à appuyer dessus. Lorsque vous n'en avez pas besoin, vous n'avez qu'à appuyer."

Eldec fabrique plusieurs alimentations pour le brasage par induction, comme la ligne moyenne fréquence ECO LINE MF qui se décline en différentes configurations pour s'adapter au mieux à chaque application. Les alimentations ont une plage de puissance nominale de 5 à 150 kilowatts avec des fréquences de 8 à 40 kilohertz. Tous les modèles peuvent être construits avec une fonction d'augmentation de puissance qui permet aux opérateurs de dépasser le taux de service continu de 100 % de 50 % supplémentaires pendant jusqu'à trois minutes. Les autres caractéristiques clés incluent le contrôle de la température du pyromètre, un enregistreur de température et un interrupteur d'alimentation à transistor bipolaire à grille isolée. Les alimentations nécessitent peu d'entretien, fonctionnent silencieusement, prennent peu de place et s'intègrent facilement à un contrôleur de cellule de travail.

Les fabricants de plusieurs industries utilisent de plus en plus le brasage par induction pour assembler des pièces. Bausch désigne les fabricants d'équipements automobiles, aérospatiaux, médicaux et miniers comme les plus gros utilisateurs des équipements de brasage par induction d'Ambrell.

"Le nombre de pièces en aluminium brasées par induction continue d'augmenter dans l'industrie automobile en raison des initiatives de réduction de poids", note Bausch. "Dans l'aérospatiale, le nickel et d'autres types de patins d'usure sont régulièrement brasés sur des aubes de jet. Les deux industries brasent également par induction une large gamme de raccords pour tubes en acier."

Les six systèmes EasyHeat d'Ambrell ont une gamme de fréquences de 150 à 400 kilohertz, ce qui les rend idéaux pour le brasage par induction de petites pièces de différentes géométries. Les modèles compacts (0112 et 0224) offrent un contrôle de puissance dans une résolution de 25 watts ; les modèles de la série LI (3542, 5060, 7590, 8310) offrent un contrôle dans une résolution de 50 watts.

Les deux séries ont une tête de travail mobile qui peut être située jusqu'à 10 pieds de l'alimentation électrique. Le contrôleur du panneau avant du système est programmable, permettant aux utilisateurs finaux de définir jusqu'à quatre profils de chauffage différents, chacun avec jusqu'à cinq étapes de temps et de puissance. Le contrôle de l'alimentation à distance est disponible pour les entrées de contact ou analogiques, ou un port de données série en option.

"Nos principaux clients du brasage par induction sont des fabricants de pièces contenant du carbone ou des pièces de grande masse avec un pourcentage élevé de fer", explique Rich Cukelj, responsable du développement commercial chez Fusion. "Certaines de ces entreprises servent les industries automobile et aérospatiale, tandis que d'autres fabriquent des armes à feu, des composants pour outils de coupe, des robinets et des drains de plomberie, ou des blocs et des fusibles pour la distribution électrique."

Fusion vend des systèmes rotatifs personnalisés capables de braser par induction 100 à 1 000 pièces par heure. Le volume plus élevé est possible pour un seul type de pièce ou une famille spécifique de pièces, selon Cukelj. Ces pièces peuvent varier en taille de 2 à 14 pouces carrés.

"Chaque système intègre un indexeur de Stelron Components Inc. avec huit, 10 ou 12 stations", explique Cukelj. "Certaines stations sont destinées au brasage, tandis que d'autres sont destinées soit à l'inspection, à l'aide d'une caméra de vision ou d'un appareil de mesure laser, soit à des tests de traction pour garantir un joint brasé de haute qualité."

Holland indique que les fabricants utilisent les alimentations électriques ECO LINE standard d'eldec pour des applications de brasage par induction aussi diverses que le frettage de rotors et d'arbres, ou l'assemblage de carters de moteurs électriques. Récemment, un modèle de 100 kilowatts de ce générateur a été utilisé dans une application de grandes pièces impliquant le brasage d'un anneau de circuit en cuivre à une connexion de prise en cuivre pour un générateur à un barrage hydroélectrique.

Eldec fabrique également l'alimentation électrique portable MiniMICO, qui se déplace facilement dans une usine et a une plage de fréquences de 10 à 25 kilohertz. Il y a deux ans, un fabricant de tubes d'échangeurs de chaleur automobiles a utilisé le MiniMICO pour braser par induction un coude de retour sur chaque tube. Une personne a fait tout le brasage, chaque tube nécessitant moins de 30 secondes pour être assemblé.

Jim est rédacteur en chef de ASSEMBLY et possède plus de 30 ans d'expérience éditoriale. Avant de rejoindre ASSEMBLY, Camillo était rédacteur en chef de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal et Milling Journal. Jim a un diplôme d'anglais de l'Université DePaul.